高鈍感電起爆器的結構設計及性能研究?

楊艷羽 王科偉 黃金紅 張 健 費 月 劉凱旋

遼寧北方華豐特種化工有限公司(遼寧撫順，113003)

0 引言

火工品是一類小型、較敏感、裝有火炸藥的爆炸元件，在很小的外界能量激發下一次性燃燒或爆炸后釋放出大功率能量，獲得某種化學、物理效應或機械效應[1]。 用電能作為激發能源的電起爆器廣泛應用于武器彈藥系統中[2]。 隨著武器裝備使用環境由傳統領域向深空、深海、極地等新領域擴展，要求電起爆器能夠在極端高(低)溫、高空低氣壓以及復雜強電磁環境下可靠作用。 因此，對電起爆器的安全性和可靠性也提出了更高的要求[3-4]。 鈍感型火工品主要是通過設計合理的防靜電結構、橋路以及鈍感藥劑等方法提高可靠性和安全性。 羅婧等[5]研究發現，間接影響絕緣電阻性能的工序所造成的絕緣不合格現象具有隱蔽性強、檢測困難等特點。 姚洪志等[6]分析了橋絲焊點與管殼最小距離以及火工藥劑的介質耐壓對靜電放電的影響。 姚則武等[7]解決了靜電放電試驗后電阻大幅降低的問題。 李便花等[8]通過調整絕緣套管材料及尺寸等方法設計了某電點火具的防靜電結構，解決了產品靜電發火的問題。

在鈍感電起爆器設計中，橋帶式火工品通過集、散熱技術實現產品的安全性和發火性，但相關設計應用較少。 選用合適的橋帶式電起爆器并優化產品防靜電結構設計，提高絕緣電阻的穩定性和可靠性是十分必要的。本文中，根據某雙橋鈍感電起爆器(以下簡稱產品)主要性能指標的要求，對電起爆器的防靜電結構進行了設計，提供了橋帶設計相關的計算方法，選擇了鈍感且能保障可靠發火的藥劑，并進行了絕緣電阻、安全電流、防靜電能力、作用時間、輸出能量及抗大電流沖擊等相關試驗驗證。

1 產品性能指標及發火原理

1.1 產品性能指標

產品應該符合安全電流和防靜電能力等通用指標要求。 在產品引線與殼體之間施加500 V、1 min的直流電流，絕緣電阻應不小于20 MΩ。 給產品通入5 A 的直流電流，產品作用時間不得大于20 ms，橋路熔斷時間應不大于60 ms，輸出壓力應在1～5 MPa 范圍內。 產品應能夠承受16 A 直流電流的沖擊而不失效，并能正常發火。

1.2 產品發火原理

產品的發火原理:向產品通入恒定電流，橋帶發熱，將電能轉化為熱能，加熱藥劑；藥劑燃燒，迅速將藥劑的化學能轉變成熱能，同時產生大量的高溫氣體并形成一定的氣體壓力，完成輸出做功[9]。

2 產品結構設計

某雙橋鈍感電起爆器的最大外徑為15 mm。 產品結構設計主要分為電極塞部件設計、橋帶設計和裝藥部件設計3 個部分。 圖1 為該產品的外形結構三維示意圖。

圖1 產品外形結構的三維示意圖Fig.1 Three-dimensional schematic diagram of external structure of the product

2.1 電極塞部件設計

電極塞部件設計包含防靜電結構設計和屏蔽線連接設計。

2.1.1 防靜電結構設計

該產品的防靜電結構設計有2 種方案。 方案I是在產品內部采用間隔環和陶瓷墊結構，使得產品內部形成環形靜電泄放通道。 方案II 是設計適合產品使用的防靜電板，從而實現靜電泄放的目的。將2 種不同思路的方案進行對比和試驗驗證。

1)方案I:在產品電極塞輸出端分別增加間隔環和陶瓷墊，結構示意圖如圖2(a)所示。 通過增加間隔環和陶瓷墊的方式，可以從環形通道進行靜電泄放，能夠避免靜電的積累導致靜電從產品內部進行泄放。 但由于產品尺寸限制，只能選用厚度為1 mm 的間隔環，裝配過程中存在變形甚至破裂的可能，從而導致陶瓷墊不平整。 該方案使產品藥劑預留的空間相對較少，對于保證產品能量的輸出有一定的影響。

圖2 不同方案的結構示意圖Fig.2 Structural diagrams of different schemes

2)方案II:增加防靜電板。 防靜電板主要由3部分組成，分別是插針孔、金屬膜和基板。 圖2(b)為防靜電板的結構示意圖。 基板為0.3 mm 厚的柔性電路板，在基板的表面鍍覆一層金屬膜，基板中心對稱分布2 個插針孔。 金屬膜由基板中心線對稱分布的2 個扇形組成，且扇形圓弧外周邊界為鋸齒狀。鋸齒尖端距防靜電板邊緣的距離應在0.3 ～0.4 mm之間。 將產品的插針穿過防靜電板的2 個圓形插針孔中，插針通過插針孔內壁與金屬膜進行連接，將產生的靜電通過金屬膜的尖角進行釋放。 為了提高插針孔與金屬膜接觸的穩定性，對插針孔內壁進行了金屬化處理。

插針孔的尺寸決定了防靜電板靜電泄放的能力。 為了找到最合適產品的插針孔尺寸，選取15 種不同插針孔直徑的防靜電接線板，進行了裝配以及防靜電能力試驗。 圖3 為不同尺寸插針孔防靜電能力試驗的結果。

圖3 不同尺寸插針孔防靜電能力試驗對比Fig.3 Comparison of anti-static ability tests for pin holes with different sizes

如圖3 所示:當插針孔的直徑與插針直徑差在0.04 ～0.11 mm 之間，能夠滿足防靜電能力的要求。當插針孔直徑與插針直徑差小于0.04 mm 時，裝配過程中容易破壞插針孔內壁上的金屬層，導致防靜電功能不穩定；當插針孔直徑與插針直徑差大于0.11 mm 時，插針與防靜電板之間的縫隙過大，容易導致接觸不牢固，影響靜電釋放的穩定性。

根據產品電極塞部件的2 種設計結構，在相同條件下分別裝配了10 發成品。 針對產品絕緣電阻、安全電流和防靜電能力的性能要求，對電極塞部件的2 種設計方案進行了對比試驗。 表1 為2 種設計方案的試驗結果。

表1 電極塞部件2 種設計方案的試驗結果對比Tab.1 Comparison of experimental results between two designed electrode plug components

根據表1 的試驗結果可以看出:2 種方案均能夠達到絕緣電阻和安全電流的指標要求，但方案I中有2 發產品未能夠滿足防靜電能力的要求。

根據電極塞部件2 種設計方案的對比結果可知，方案II 的絕緣電阻性能較好，防靜電能力也相對穩定。 對于外形尺寸較小的產品，0.3 mm 厚的防靜電板能夠給藥劑預留出相對較大的空間，便于調整藥量范圍。 防靜電板裝配過程簡易，能夠提高生產效率。 因此，電極塞部件最后選用方案II。

2.1.2 屏蔽線連接設計

產品尾部屏蔽線和電極塞插針進行點對點焊接時，接觸面積較小使得焊錫量相對較少，焊點不能完全包裹屏蔽線的線芯，導致受力點抗彎折能力較差，容易出現斷裂的現象。 因此，需要設計適合產品使用的接線板。

接線板主要由焊線槽、插針孔、基板、阻焊層和銅層組成。 圖4 為接線板結構示意圖。

圖4 接線板的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of the terminal block

圖4 中，基板為1 mm 厚的柔性電路板，基板中心對稱分布2 個插針孔和2 個焊線槽。 在插針孔與焊線槽中間有近似扇形的阻焊層。 基板中間的銅層用于連接插針和焊線槽。 為了增加焊接時插針焊點和屏蔽線焊點的焊錫量，在焊線槽表面和插針孔內壁進行金屬化處理，使得焊接更牢固。 使用焊線槽后屏蔽線的焊點更容易包裹屏蔽線的線芯，不容易出現彎折斷裂現象。

2.1.3 裝配方法

將電極塞的插針依次穿過墊片、防靜電板和接線板。 將電極塞的插針焊接在接線板的基板上，屏蔽線的線芯焊接在接線板的焊線槽上。 圖5 為電極塞部件局部結構示意圖。

Fig.5 Schematic diagram of local structure of the electrode plug component

2.2 橋帶設計

產品是雙橋電起爆器，電極塞部件焊電橋表面離產品殼體輸出口的距離較大，屬于深槽焊接，焊接橋絲難度較大。 由于產品有橋路熔斷時間的指標要求，因此，優先考慮使用橋絲式火工品。 然而，使用橋絲式火工品存在焊接工藝耗時長、不能滿足雙橋的電阻差小于等于0.2 Ω 的要求等問題；因此，考慮使用激光點焊技術進行橋帶焊接，能夠有效地解決該問題。

將橋帶設計為Z 字型，橋帶厚度為0.02 mm，橋帶寬度為0.32 mm。 橋帶選用Cr20Ni80 鎳鉻合金帶，電阻率為1.09 ×10-6Ω·m，密度為8 400 kg/m3，比熱為460 J/(kg·℃)，溫度系數為0. 001 5℃-1，熔點為1 400 ℃。 接觸藥劑導熱系數為14.76 W/(m·K)。 橋帶電阻為(1.0 ±0.1)Ω。 但由于橋帶設計為Z 字型，電流是按照最近路徑進行傳導的，因此，實際電阻測量值會小于理論計算電阻。

橋帶有效長度是指將橋帶等效成一字型的理論長度，選擇橋帶的形狀和材料后，可計算橋帶的有效長度

式中:R為橋帶電阻；ρ1為電阻率；S為導體材料橫截面積。

根據式(1)可估算出橋帶有效長度約為5.7 ×10-3m。

為了使橋帶達到橋路熔斷時間不大于60 ms 的要求，使用橋帶升溫數學模型進行計算[10]。 橋帶升溫方程左邊為橋帶升溫吸熱速率，右邊為橋帶通入電流的產熱速率減橋帶向接觸藥劑的散熱速率:

式中:V為橋帶體積；ρ2為橋帶材料密度；c為橋帶材料比熱容；t為通電時間；I為輸入電流；α為橋帶材料電阻溫度系數；λ為接觸藥劑的導熱系數；T為橋帶溫度；T0為初始環境溫度；r1為橋帶表面到橋帶中心的距離；r2為接觸藥劑外表面到橋帶中心的距離。

將初始條件T｜t ＝0＝T0代入式(2)中，可以得到不同輸入電流下橋帶升溫曲線，見圖6。

圖6 不同輸入電流下橋帶的升溫曲線Fig.6 Temperature rise curves of bridge band under different input currents

如圖6 所示，當輸入電流為5 A 時，橋帶熔斷時間在4.5 ～9.0 ms 之間。

2.3 裝藥部件設計

在電極塞部件的輸出端用環氧樹脂膠黏結一個階梯狀裝藥塊。 該裝藥塊內分別裝壓引燃藥和主裝藥，引燃藥緊貼著電極塞部件的輸出端。

硼/硝酸鉀點火藥是一種性能優良的高能點火藥，具有高輸出性和可靠性等優點[11-14]。 因此，選擇硼/硝酸鉀點火藥為產品的主裝藥。 根據硼/硝酸鉀點火藥幾何形狀和規格尺寸的不同，選擇3 種規格(B1 型、C7 型和D8 型)的硼/硝酸鉀點火藥進行感度試驗對比。

3 種硼/硝酸鉀點火藥的組成成分均為硼粉、硝酸鉀和黏合劑，且硼粉中無定形硼的質量分數均為90% ～92%。 其中，B1 型和D8 型點火藥的黏合劑為不飽和聚酯樹脂、環烷酸鈷和過氧化甲乙基酮；而C7 型點火藥的黏合劑只有不飽和聚酯樹脂。 B1 型點火藥的硝酸鉀為600 目下；C7 型和D8 型點火藥的硝酸鉀為200～320 目。

感度試驗的硼/硝酸鉀點火藥藥量均為20 mg，測試數量均為25 發。 機械撞擊感度試驗、摩擦感度試驗和火焰感度試驗分別采用的儀器為CGY-1 型機械撞擊感度儀、MGY-1 型擺式摩擦感度儀和HGY-1 型火焰感度儀。 感度試驗均采用爆炸概率法進行計算，得到了試樣的發火率。 表2 為3 種硼/硝酸鉀點火藥感度試驗的結果。

表2 3 種硼/硝酸鉀點火藥的感度試驗結果Tab.2 Sensitivity test results of three kinds of boron/potassium nitrate ignition

如表2 所示，D8 型硼/硝酸鉀點火藥的火焰感度最高，能夠保證產品穩定發火。 因此，產品的主裝藥選用D8 型硼/硝酸鉀點火藥。 產品總藥量

式中:p為輸出壓強；V1為測壓器容積；F為火藥力；X為熱損失修正系數。

根據產品規定的輸出壓力范圍和藥劑的相關參數，可以計算出該產品所使用的總藥量范圍。

在安全電流1 A、1 W、5 min 不發火的鈍感火工品設計中，引燃藥常選用起爆藥或混合藥劑。 選用三硝基間苯二酚鉛、三硝基間苯二酚鋇和鋯/高氯酸鉀這3 種藥劑作為引燃藥，在相同藥量和裝配條件下分別裝配5 發產品，與D8 型硼/硝酸鉀點火藥裝壓入產品后，進行安全電流試驗。 表3 為3 種引燃藥的安全電流的試驗結果。

表3 3 種引燃藥的安全電流試驗結果Tab.3 Safety current test results of three ignition charges

如表3 所示，鋯/高氯酸鉀和硼/硝酸鉀配合使用能夠滿足安全電流的要求。 將鋯/高氯酸鉀和硼/硝酸鉀配合使用的方案進行發火試驗，產品可靠發火，且輸出能量也可滿足產品設計指標要求。

3 主要性能指標驗證

3.1 主要性能指標的測量和試驗方法

該產品的主要性能指標測量和試驗方法均符合《火工品試驗方法》標準中相關的要求[15]。

防靜電能力試驗采用JGY 靜電感度儀測量電起爆器對模擬人體靜電的感度情況。 發火模式為腳-殼模式，將產品殼體作為連接的一極，將產品的2 條引線進行短路作為連接的另一極，進行靜電放電試驗。

發火試驗中，連接發火觸發同步裝置和壓力傳感器，給產品施加發火電流，壓力傳感器輸出一個和壓力變化相對應的電信號，測得輸出壓力隨通電時間變化的曲線，見圖7。 發火觸發同步裝置的取樣電阻自動測得橋帶自通電(t＝0 ms)至熔斷(t＝6 ms)時橋路兩端的電壓變化曲線，見圖8。

圖7 輸出壓力-通電時間變化曲線Fig.7 Curves of output pressure-time

圖8 橋帶自通電至熔斷時橋路兩端電壓的變化曲線Fig.8 Variation curve of voltage at both ends of the bridge circuit from power on to bridge belt melting

結合圖7 和圖8，對產品發火后輸出的曲線相應位置進行測量，分別記錄從通電到開始發火的時間、從開始發火到峰值壓力的時間、橋路熔斷時間以及輸出壓力等相關數據。

3.2 主要性能指標驗證

裝配10 發產品進行絕緣電阻、防靜電能力和安全電流試驗，試驗結果均符合要求。 給產品通入5 A 的直流電流，檢驗產品是否能夠可靠發火并記錄相關數據。 表4 為10 發產品發火性能摸底試驗的結果。

表4 10 發產品發火性能試驗結果Tab.4 Results of the ignition performance test for ten products

根據表4 數據知:輸出壓力在要求的1～5 MPa范圍內。 產品平均作用時間為7.37 ms，符合不得大于20 ms 的要求；橋路的平均熔斷時間為5. 76 ms，符合不大于60 ms 的要求。

為了檢驗產品的安全性和發火可靠性，裝配10發產品進行了安全性及發火可靠性摸底試驗，結果見表5。

表5 產品安全性及發火可靠性試驗結果Tab.5 Test results of safety and ignition reliability for products

根據表5，經過產品安全性試驗驗證，1.5 A、2.25 W、5 min 情況下產品均未發火，相比安全電流所要求的1 A、1 W、5 min 條件，具有一定的裕度。在抗大電流沖擊和小電流發火的極限條件下，產品仍然能進行可靠發火。

4 結論

采用增加防靜電板和接線板、合理的橋帶以及鈍感的藥劑設計，能夠使產品同時滿足絕緣電阻、安全電流、防靜電能力、作用時間、輸出能量及抗大電流沖擊等要求。

通過研究得到以下結論:

1)采用防靜電板設計的產品絕緣電阻性能較好，防靜電能力相對穩定。 對于外形尺寸較小的產品，0.3 mm 厚的防靜電板能夠給藥劑預留出相對較大的空間，便于調整藥量范圍。 防靜電板裝配過程簡易，能夠提高生產效率。

2)采用接線板設計使屏蔽線的焊點更容易包裹屏蔽線的線芯，能夠解決屏蔽線彎折斷裂現象。

3)當橋帶厚度為0. 02 mm、寬度為0. 32 mm時，能夠滿足橋路熔斷時間不大于60 ms 的要求。

4)鋯/高氯酸鉀引燃藥和硼/硝酸鉀點火藥配合使用，能夠滿足安全電流1 A、1 W、5 min 的鈍感要求。 D8 型硼/硝酸鉀點火藥的火焰感度高，能夠保證產品發火可靠。 為鈍感電起爆器設計提供了技術支持。